发动机端盖清洗烘干的PLC控制流程可视化设计

张 敏，关 健，林锦坤

（1.广东理工学院 电气与电子工程学院，肇庆 526100；2.广东风华高新科技股份有限公司 设备维修部，肇庆 526020）

随着机械、汽车、电子、信息、能源等领域各类装备的不断发展，出现了大批性能要求越来越高的机加工零部件，机加工零部件的形状和结构日趋复杂和精细，加工精度不断提高，零件表面层的结构、表面质量、力学和物理性能的要求越来越高[1]。 而汽车发动机端盖形状不规则，结构尤为复杂，加工出来后需要进行深度清洗， 提高其表面质量及精度。此次清洗发动机端盖外观图如图1 所示，该端盖有深孔、多孔、结构复杂孔，有凸块、凹槽、不同尺寸的加强筋等。

图1 发动机端盖实物图Fig.1 Physical drawing of engine end cover

该工件采用铸造的方法生产出来后存在工作表面的尺寸有误差、表面光洁度不足，螺丝孔和轴承孔需要二次加工和一些必要的管孔渗漏压力测试等。 而在二次加工过程中，发动机端盖的管孔和表面都会残留部分油渍和一些金属碎屑，因此需要深度清洗。 清洗的过程可分多个工序完成，一般采用专用清洗液及高压水喷淋清洗，清洗完后还要求烘干处理，根据零件结构复杂程度不同，一般采用4～6 个工位完成清洗及烘干全过程。 设备采用FX3U-80MR 可编程控制器为主控元件，用三菱温控模块进行温度的反馈控制，结合组态软件和威纶触摸屏完成数据设定及统计、设备输入和输出信号的显示以及设备故障的报警、提示等界面操作，设计一套环形清洗烘干可视化设备，达到自动控制目的[2]。 该清洗设备也成功应用在广东某汽车零部件生产公司的清洗线上。

1 清洗设备结构对比分析

清洗设备在设计过程中有两种思路：第一种是U 型结构设备，该结构采用链式输送方式，即通过前后两对链轮带动2 条链条平行且同步运行，两条链条之间使用不锈钢条相隔一定的距离连接起来，由链条的传动带动专用夹具固定的发动机端盖进入各清洗工位，经多次清洗后的工件在U 型结构的另一端，经多个烘干工位后取出[3]。 U 型清洗机是双直线布局，占地面积较大，且由于其机械传送机构的设计采用链条定位和分割器定位，因此在定点清洗及精确定位方面清洗效果差；同时，其放置工件和取件是不同工位，不便于人工操作；第二种思路是采用环形清洗结构设备，环形清洗机将整个环形转盘均分为6 个工位，采用伺服电机带动转盘顺时针方向旋转。 该设备对产品的管道、螺丝孔等较难清洗的部位可以做到精准的定点清洗，同时方便各清洗工位的密封，并能将清洗、漂洗、风干、烘干等多个生产工序合为一体。 该设计入件工位即为出件工位，在节省生产场地的同时可以实现一人操作多台设备，大幅提升生产自动化程度，故文中采用环形清洗机进行工件清洗。

2 环形清洗机工位设计过程分析

环形清洗机结构设计灵活，可以根据零件复杂程度设计4～6 个工位不等，其中第1 个工位是放件工位，也是取件工位。 经过一圈旋转后再从该工位取出清洗完的工件， 并再次放上第2 个待清洗工件。 清洗过程中会用到高压水柱清洗，且为保证各复杂管道及深孔的清洗效果， 会定位喷嘴位置，因此设计专用夹具定位工件，保证清洗过程的安全与可靠。 除了取放件工位外，还应设计喷淋、漂洗、风干及烘干等多工位。

2.1 高压喷淋清洗

该工位是清洗机的第2 个工位，重点针对工件结构复杂程度不同，从多角度对工件进行全方位的高压喷淋清洗，有对管孔或螺纹孔喷淋的，有对加强筋或凹槽喷淋的。 其中，为到达较好的清洗效果，负责清洗管孔和凹槽的喷头喷出来的清洗液是柱状的，负责清洗工件表面喷头喷出的则是伞状的清洗液，该工位喷淋结构示意简图如图2 所示。 该工位主要清洗油污和金属碎屑，故添加了专用的油污清洁剂，为保证清洗效果，压力要求约在0.8～1.2 MPa之间，清洗时间在30～60 s 不等，具体可视不同的工件而定。 为了增加去油污效果，温度要求在45～50 ℃左右，对管孔内的金属碎屑的清洗需要高压柱状水喷淋，如果是通孔，则还需要主要喷淋的方向从小孔进大孔出，否则碎屑容易在小孔端堵塞。

图2 喷淋结构简图Fig.2 Schematic diagram of spray structure

2.2 清水漂洗

该工位位于高压喷淋清洗之后，主要是用清水漂洗，该工位对清洗水压要求略低，但要求水流量大。 同时，要求用热水漂洗，要加热水温，其水温应高于高压喷淋工位温度，一般控制在55～60 ℃之间。主要目的是为了提高下一工位的吹干效果，因为高温干燥效果优于常温干燥效果。

2.3 吹风干燥

该工位的主要目是做到工件的全面干燥，包括管道、螺丝孔、深孔等内部的水分干燥。 为到达较好的风干效果，设计中主要是使用高压缩空气，通过喷气嘴深入孔内吹气，将残留水分带出，达到去除水分及吹风干燥的目的。

2.4 烘干工序

由于利用吹风干燥的方式不能彻底去除水分，故烘干工序是必要的，该工位是彻底去除水分的有效方法。 烘干时需注意温度的高低和时间的长短，温度过低达不到烘干效果，温度过高以及时间过长会使铝合金材料的产品表面颜色泛黄。 温度与时间的控制根据产品材质和结构特性而定，一般温度控制在150 ℃，时间在1 min 以内，且采用红外线加热管加热装置及辐射方式加热。 为了尽可能避免产品颜色泛黄，一般应尽可能降低烘干温度，但降低温度后会有机件不能烘干的现象，为了解决该矛盾，设备中采用把产品放在一个有加热和抽真空功能的装置内，实现了低气压低温度沸腾，温度100 ℃以下，气压约98 Pa，达到把水分充分抽干的目的。

3 电气控制元件选型

为实现环形清洗机的自动控制操作，对控制系统做电路设计和电气元器件的选型。根据PLC 的工作原理及用弱电控制强电的设计思路，设计中通过各温控元件及传感器采集现场信号传给PLC 的输入，经过PLC 程序设计、调试、运行、输出控制相应的中间继电器， 再由继电器控制交流接触器等，从而控制气阀、马达、变频器等控制元器件[4]。

根据控制设备实际的输入、输出点数的设计要求，同时充分考虑系统的可扩展性和稳定性等因素，PLC 在选型时其I/O 点数还应留有10%～15%的裕量，故此处选用三菱FX3U-80MR 的PLC[5]。 为实现可视化控制，方便员工的操作和参数设置的量化等，选用威纶触摸屏及配套的组态软件制作控制画面窗口。

4 可视化画面设计

触摸屏的主要作用是现场及运行过程中人机界面的控制及处理，合理的界面设计使得直观、操作方便、稳定性强，实现的功能主要包括实时参数采集、参数设置、历史数据查询、诊断及报警、分析和报表及远程Web 监控等。合理的人机界面有助于可视化直观监控和减轻操作人员的工作量[6-7]。 清洗机可根据用户需要设计多个控制和监视画面，此处列举部分设计页面进行说明可视化操作。

4.1 密码登录界面

现场控制中，为了做好安全防护，避免其他操作人员误操作、或避免生产过程中关健技术外泄等原因，在进入操作页面之前，一般都会设计密码登录界面。 有些控制系统还会设计多个安全等级不同的密码，方便不同等次的管理人员操作。 因此，想要进入操作界面， 操作员需要输入预置好的有效密码。 触摸屏密码登录界面如图3 所示，该页面也可以查看报警历史记录，方便了解设备的历史工作情况。 同时，该页面还设置了返回主页按钮，主页可根据设备公司实际情况进行设计，一般可写明公司名称、设备名称、公司地址、公司联系电话等信息，让操作画面一目了然。

图3 触摸屏密码登录界面Fig.3 Touchscreen password login interface

4.2 触摸屏主屏设计

触摸屏控制的主屏设计页面如图4 所示，页面正中把旋转清洗机转盘的6 个工位均等形象绘出，并在各工位对应传感器的位置设了指示灯，用于指示每个工位门是否开关到位， 喷水阀是否动作，加热开关是否加热等等。 页面左右分槽位设计各工位门开关、喷淋开关、加水开关、加热开关、气缸升降、风机开关等多种开关量。 同时，画面上下空余位置设置了启动、停止、正反转、水温报警、转盘复位、报警解除、手动自动及返回主页和返回上一页等多个按钮开关[8]。 整个操作页面形象，现场演示操作简单，可视化较强，方便操作者操作和观察。

图4 触摸屏主屏设计图Fig.4 Design of main screen of touch screen

4.3 参数设置及报警显示

如图5 所示，触摸屏设计了环形清洗机中机械参数的设定内容，包括了清洗水温设定、上下限温度显示、 温度补偿给定；1 槽和2 槽的清洗时间显示、 喷嘴喷淋时间的计时显示；3 槽、4 槽和5 槽吹干时间显示；轮转次数及6 槽等待工件取出的时间显示等等。 所有需要监视及设计的机械参数均可从触摸屏上进行可视化设置及观察，该触摸屏的可视化为工人操作带来极大便利。

图5 机械参数触摸屏设计Fig.5 Mechanical parameters touch screen design

报警是指当系统中的某一些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明该量的值已经超限，提醒操作人员[9]。

报警历史记录的显示如图6 所示，该页面设置了可以显示当天的报警记录，同时，也保留了前一天的报警记录， 每一条报警记录都明确了报警信息，方便操作者查看，具有较强的可视化功能。

图6 报警记录显示Fig.6 Alarm record display

5 结语

文中对形状结构复杂的汽车发动机端盖精加工中去毛刺、杂质及油渍提出处理方案，要求实现清洗、漂洗及烘干自动化操作、通过对比分析U 型结构清洗方案及环形结构清洗方案优缺点，选择环形结构清洗机，环形清洗机在对产品的管道、螺丝孔等较难清洗的部位可以做到精准的定点清洗，能将设备清洗、漂洗、烘干3 个生产工序合为一体。 并增加触摸屏，通过设计密码设置界面、触摸屏主屏设计页面、机械参数设置及报警显示等可视化监控画面，通过触摸屏对控制参数进行设定、数据统计、设备输入和输出信号状态的显示以及对设备故障的提示等一系列智能化操作，实现即时修改及可视化控制，在节省生产场地的同时可以一人操作多台设备，大幅提升自动化程度、生产效率和节省大量的人工成本。